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Spektrumanalysator
Aus Kefk.
Ein Spektrumanalysator ist ein elektronisches Messgerät zur Darstellung der in einem Signal enthaltenen Frequenzen. Der Spektrumanalysator ist ein Spektrometer für elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz tiefer als 300 GHz und im Infrarotband zwischen 600 nm bis 1750 nm Wellenlänge. Es gibt FFT-Analysatoren und Analysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers (Heterodynempfänger). Moderne Messempfänger enthalten beide Arten der Analysatoren auf digitaler Basis. Der Spektrumanalysator ist das Gegenstück zum Oszilloskop, das im Gegensatz zum Spektrumanalysator Signale nicht im Frequenzbereich sondern im Zeitbereich darstellt. Der Spektrumanalysator stellt einen Verlaufsgraphen auf einem Bildschirm dar, wobei üblicherweise die horizontale Achse (mathematisch Abszisse genannt) die Frequenzachse ist und die Amplituden auf der vertikalen Achse (Ordinate) abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Spektrum bezeichnet. Durch Anregung lässt sich mit einem Spektrumanalysator z.B. auch der Frequenzgang eines Systems sichtbar machen.
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Analysatoren
FFT-Analysator
Die zeitliche, digitale Erfassung eines Signals ermöglich eine Berechnung eines Spektrums mit Hilfe der Schnellen Fourier-Transformation (engl. Fast Fourier Transform). Im Bereich der Vibrationsmessungen und Akustik wird dieses Methode bereits seit langem verwendet, bei hochfrequenten Signalen jedoch war der Einsatz bislang nur sehr begrenzt möglich. Die großen Fortschritte in Bezug auf Rechenleistung und Arbeitsspeicher fördern eine Entwicklung dieser Verfahren, die in Fachkreisen als Zeitbereich-Messungen oder Zeitbereichsmethoden (engl. Time-Domain-Measurement) bekannt sind. Insbesondere in Deutschland wurde in den vergangenen Jahren viel Forschung betrieben und es entstanden Lösungen, sowohl in kommerziellen Messempfängern implementiert, als auch aus verschiedenen Komponenten (Messempfänger, Digitaloszilloskop, PC) zum Eigenbau.
Analysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers
Aufgrund der begrenzten Bandbreite verfügbarer A/D-Wandler eignen sich FFT-Analysatoren lediglich für Messungen an niederfrequenten Signalen. Um dennoch Spektren höherfrequenter Signale bis in den Millimeterwellenbereich messen zu können, werden Spektrumanalysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers verwendet. Im Unterschied zu einem Überlagerungsempfänger in einem Radio wird das zu vermessende Frequenzband entsprechend der aktuellen Spannungshöhe eines Sägezahngenerators (gleichmäßiger Anstieg und danach rascher Abfall der Spannung) durchgestimmt, d.h. die Höhe der Frequenz am Ausgang des Abstimmoszillators oder Lokaloszillators hängt von der Eingangsspannung des Lokaloszillators (LO) ab. Der Abstimmoszillator ist daher funktionell ein VCO. Das Eingangssignal des Spektrumanalysators und das Ausgangssignal des LO wird jeweils in den Mischer geleitet, der daraus das Zwischenfrequenzsignal erzeugt. Das gleichgerichtete Zwischenfrequenzsignal wird nicht über einen Lautsprecher ausgegeben, sondern auf einem Bildschirm, vergleichbar mit dem eines Oszilloskops, dargestellt. Für die X-Ablenkung wird dann ebenfalls die Sägezahnspannung mitbenutzt.
Typische Spektrumanalysatoren bis 3 GHz verwenden eine Zwischenfrequenz (ZF), welche größer ist als die höchste einstellbare Messfrequenz, um die Eindeutigkeit des Empfangs zu gewährleisten. Durch einen Tiefpass am Eingang wird der Empfang von Spiegelfrequenzen verhindert und auch die Abstrahlung des LO-Signales gedämpft.
Die Qualität des LO-Signales hat großen Einfluss auf die Qualität des Spektrumanalysators, da sich die spektrale Breite des LO-Signals als effektive Vergrößerung der statistischen Auflösebandbreite RBW (Resolution Band Width) des möglichst steilflankigen ZF-Filters bemerkbar macht. Rauschseitenbänder begrenzen die Messempfindlichkeit; relativ langsame Frequenzschwankungen (Temperaturänderungen des beheizten Schwingquarzes sorgen für Drift) des Lokaloszillators bewirken eine unscharfe Anzeige und vergrößern die Messunsicherheit.
Auch das ZF-Filter bestimmt die Eigenschaft des Spektrumanalysators. Der ZF-Verstärker ist im Allgemeinen schaltbar, so dass zusammen mit dem Eingangsabschwächer ein bezüglich Aussteuerung und Verzerrung der einzelnen Komponenten optimaler Pegelbereich eingestellt werden kann. Der Logarithmierer erlaubt die Anzeige in Dezibel, da die Ausgangsspannung des nachfolgenden Hüllkurvendetektors (kurz: Detektor) zum an ihm anliegenden Signal proportional ist. Die Ausgangsspannung des Detektors entspricht dem zeitlichen Ablauf der Hüllkurve seines Eingangssignals. Darauf folgt das Videofilter, das die angezeigte Kurve glätten soll. Bei einer ZF um 3 GHz kann kein ausreichend schmalbandiges Bandpassfilter realisiert werden, solange keine einfachen supraleitenden Filter benutzt werden.
Mehrere Zwischenfrequenzen (ZF) zu verwenden hat den Vorteil, unerwünschte Mischprodukte zu unterdrücken. Die maximale Frequenz solcher Mischprodukte entspricht der Bandbreite des anliegenden Spektrums.
Erweiterungen
Um mit einem Spektrumanalysator Frequenzgänge von Komponenten wie Verstärkern oder Filtern direkt aufnehmen zu können, sind manche Geräte mit einem Mitlaufgenerator ausgestattet, einem Signalgenerator, der ähnlich einem Wobbelgenerator eine Frequenz gleichbleibender Signalamplitude synchron zur Anzeige zur Verfügung stellt.
Siehe auch
Literatur
- CISPR 16: Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods. Part 1-1: Measuring apparatus
- Christoph Rauscher: Grundlagen der Spektrumanalyse. Rohde&Schwarz GmbH, München, Zweite Auflage 2004
Weblinks
- Aufbau und Bedienung elektrischer Spektrumanalysatoren
- PDF Bücher über Spektrumanalysatoren und wie man einen baut
Hersteller (alphabetisch)
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